热带森林废弃物资源化利用：Iroko树皮布(Milicia excelsa)的微观结构与力学性能及其在复合材料中的应用潜力

推荐：为解决热带木材加工废弃物利用率低的问题，研究人员对喀麦隆Iroko树(Milicia excelsa)树皮进行微结构表征和力学性能测试，通过同步辐射X射线显微断层扫描(SR-μCT)和扫描电镜(SEM)揭示其独特的网格状纤维结构，发现其纤维束拉伸模量(31 GPa)与工业用麻纤维相当，纵向拉伸刚度(1211 N/mm)显著高于横向(23 N/mm)，为开发新型生物基复合材料增强材料提供了森林废弃物高值化利用途径。

　　

在热带木材加工业中，约70%的树木在采伐后成为废弃物，其中Iroko树(Milicia excelsa)作为喀麦隆主要经济树种，其树皮长期被忽视。传统上，非洲工匠仅用手工剥离树皮制作庆典服饰，但对其作为工程材料的潜力缺乏系统研究。随着全球对可持续材料需求的增长，如何将这类森林废弃物转化为高附加值产品成为重要课题。

研究人员通过多尺度表征技术揭示了Iroko树皮的特殊结构：其内层次生韧皮部含有独特的网格状纤维架构，纤维束直径200-400μm，由15-20μm的无腔(elementary fibres)基本纤维组成，其间分布着4μm的乳胶颗粒(latex particles)。通过创新性的提取工艺——包括锤击剥离、48小时水浸和自然干燥，成功制备出厚度1.8mm、面密度674g/m²的树皮布。

关键技术包括：同步辐射X射线显微断层扫描(0.73μm分辨率)进行三维重构，扫描电镜观察纤维形貌，纤维束拉伸测试(NF T25 501-2标准)，以及独创的悬垂性测试(DF=0.49)。

【3.1 微观结构表征】

SR-μCT显示树皮呈三层结构：周皮、皮层和次生韧皮部。次生韧皮部含有波浪状纤维束(振幅R₀=0.5mm，空间周期H₀=20mm)和纺锤形草酸钙晶体(CaC₂O₄)。提取后的树皮布孔隙率达73%，残留2%矿物质和2%乳胶颗粒。

【3.2 吸湿性能】

在90%相对湿度下吸湿量达21.3wt%，显著高于Ficus natalensis树皮布(15wt%)。水吸收实验显示两阶段动力学：20分钟内快速吸收175wt%，随后缓慢达到平衡274wt%。

【3.3 力学性能】

纤维束测试显示直径依赖性：18μm单纤维的弹性模量31GPa，断裂应力500MPa；而300μm纤维束降至22GPa和320MPa。树皮布呈现显著各向异性：纵向拉伸刚度(1211N/mm)是横向(23N/mm)的53倍，弯曲刚度达107N·mm。

【3.3.3 机理模型】

建立的波浪纤维束网络模型成功预测力学行为，关键参数包括纤维束曲折度ζ=1.006，初始切线模量E_eq0=160MPa。Weibull分布参数(m=100，ε₀=0.037)表明断裂由纤维束集体失效导致。

这项发表于《Industrial Crops and Products》的研究证实，Iroko树皮布具有与工业麻纤维相当的力学性能，其无腔纤维结构可避免传统植物纤维在复合材料成型时的管腔塌陷问题。虽然目前悬垂性较差，但通过优化提取工艺或编织技术，这种源自森林废弃物的天然织物有望成为汽车内饰等领域的可持续增强材料。研究还提出乳胶颗粒可能作为天然粘合剂，为开发全生物基复合材料提供了新思路。